26. Sistema geotérmico para la climatización de

Sistema geotérmico para la climatización
de una urbanización de 220 viviendas en Madrid
Marcel Hendriks1, Joaquin García Llaneza2, Ignacio J. Márquez Sánchez3, Ignacio Inda Caro4
1. IFTec GeoEnergía, C/ Doctor Esquerdo 10, 4º centro, 28028 Madrid; [email protected]
2. EAI arquitectura, C/ Bristol 16, local 3, 28028 Madrid; [email protected]
3. Ferrovial Agroman, C/ Ribera del Loira, 42, 28042 Madrid; [email protected]
4. Eurocontrol, Paseo General Martínez Campos 1, 5D, 28010 Madrid; [email protected]
Resumen: En la parcela de la antigua Gerencia Municipal de Urbanismo de Madrid, situada entre la calle Guatemala y
la Avenida Alfonso XIII, se están llevando a cabo la construcción de una urbanización de 220 viviendas distribuidas en
varios portales y edificios. El proyecto es un buen ejemplo de la Trias Energetica, un concepto simple y lógico que
ayuda a lograr un ahorro de energía, reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y salvar el medio
ambiente. La arquitectura y la aplicación de una fachada ventilada han dado como resultado una baja demanda de
calefacción y refrigeración que se cubre mayormente con una fuente renovable, la geotermia. La aplicación de suelo
radiante/refrescante en las viviendas permite trabajar a temperaturas moderadas que favorece la eficiencia de la bomba
de calor resultando una eficiente producción y utilización de la energía. La obra dio comienzo en noviembre de 2013 y
la entrega de las viviendas está prevista para diciembre de 2015.
Palabras clave: Trias Energética, eficiencia energética, geotermia, frio directo
1. INTRODUCCIÓN
En la parcela de la antigua Gerencia Municipal de Urbanismo de Madrid, situada entre la calle
Guatemala y la Avenida Alfonso XIII, se están llevando a cabo la construcción de una urbanización
de 220 viviendas distribuidas en varios portales y edificios. El promotor de dicha urbanización, la
cooperativa EAI310, ha optado por un sistema geotérmico para cubrir la mayor parte de las
demandas de refrigeración y calefacción del conjunto de viviendas, así como realizar un
precalentamiento del agua caliente sanitaria (ACS). La obra dio comienzo en noviembre de 2013 y
la entrega de las viviendas está prevista para diciembre de 2015.
La optimización de la eficiencia energética fue un punto de partida desde el principio del desarrollo
de los planes para la urbanización. Gracias a este planteamiento se ha optado desde las fases más
preliminares para un sistema geotérmico, permitiendo una optimización del concepto energético y
buena integración en el sistema de climatización.
Un diseño y una ejecución integrado y
optimizado requieren trabajo en equipo y
disposición para colaborar entre expertos
de las diferentes partes de un edificio.
Además de presentar los detalles del
sistema geotérmico de este proyecto se
pretende mostrar en este artículo la
importancia de la colaboración entre todos
los agentes involucrados.
Figura 1. Imagen de la futura urbanización
2. ANTECEDENTES Y ORGANIZACION
La cooperativa EAI 310 es el resultado de una iniciativa de varios padres de los colegios de la zona.
Con el objetivo de obtener en el barrio viviendas más grandes a un precio accesible se reunieron
para comprar el terreno del Ayuntamiento de Madrid. Antes de la compra del terreno se realizaron
un proyecto básico con memorias de calidad para cumplir los requisitos del concurso público del
Ayuntamiento y pedir ofertas de contratistas. Después la compra y negociaciones con varios
contratistas la cooperativa encargo la construcción llave en mano a Ferrovial Agroman. Las
empresas involucradas con el sistema de climatización y/o sistema geotérmico se resumen a
continuación:
•
•
•
•
•
•
Propiedad:
Despacho de arquitectos:
Modelización energética:
Ingeniería sistema geotérmico:
Contratista principal:
Subcontratista sondeos geotérmicos:
Cooperativa EAI310
EAI arquitectura S.L.P
Eurocontrol S.A
IFTEC GeoEnergía S.L.
Ferrovial Agroman S.A.U.
Geoter, Geothermal Energy S.L.
El proyecto básico y las memorias de calidades reflejaban las líneas generales, entro otros el
concepto energético deseado, y marcaban las exigencias de los materiales, sistemas y equipos (p.e.
eficiencia mínimas de las calderas, enfriadores y bombas de calor). El proyecto ejecutivo se
desarrolló bajo la responsabilidad de la dirección facultativa (EAI arquitectura) después del encargo
de la obra y en buena colaboración con el contratista principal (Ferrovial Agroman).
3. TRIAS ENERGETICA
Para conseguir edificios sostenibles necesitamos los tres pasos de la Trias Energetica, una estrategia
desarrollada en el año 1979 por la TU Delft (Universidad Técnica de Delft, Paises Bajos) que se
aplica desde entonces en muchos países. Los tres pasos de la Trias Energetica son reglas básicas en
el diseño de edificios sostenibles:
1) En primer lugar, reducir la demanda de energía evitando pérdidas energéticas; por ejemplo
por una arquitectura compacta o por un aislamiento de las fachadas y cubierta.
2) En segundo lugar, utilizar fuentes energéticas renovables, como el viento (energía eólica), el
sol (energía solar) o el subsuelo (energía geotérmica).
3) En tercer lugar, producir y utilizar energía fósil de la forma más eficiente posible; por
ejemplo por seleccionar equipos de producción de alta eficiencia, un sistema de caudal variable
en generación y demanda, aplicar sistemas de climatización de temperaturas moderadas como
suelo radiante/refrescante y limitar las longitudes de tubería de sistemas de climatización y
ventilación.
La figura 2 muestra el esquema de la Trias Energética con las medidas más importantes aplicadas
en el presente proyecto.
La arquitectura compacta, la doble orientación de las viviendas, la aplicación de una fachada
ventilada y la selección de materiales con buenas características térmicas dieron como resultado
una baja demanda de climatización. En la tabla I se resumen los datos energéticos obtenidos por
una simulación energética de los edificios realizado por Eurocontrol con el programa de cálculo de
carga “CYPE”. Para el cálculo de la demanda y rendimientos estacionales de las instalaciones se
consideraron los distintos regímenes de funcionamiento de los sistemas con sus factores de
ponderación, liderando siempre la instalación geotérmica a las instalaciones tradicionales. El acople
hidráulico que existe entre la generación y la demanda del edificio hace que podamos obtener altos
rendimientos a cargas parciales.
Figura 2. El concepto de la Trias Energética con las medidas claves aplicadas en el proyecto EAI310
Tabla I. Datos energéticos climatización, conjunto viviendas
Calefacción
Refrigeración
2)
Total
Por superficie
Total
2
Carga pico
899 kWt
38,5 Wt/m
781 kWt
Demanda anual
261 MWht
11,2 kWht/m2
308 MWht
1)
HECP
290 h
395 h
Por superficie2)
33,4 W/m2
13,2 kWh/m2
1) Horas Equivalentes a la Carga Pico
2) Superficie útil es de 23.353 m2
4. CONCEPTO ENERGETICO
El sistema geotérmico proyectado es un sistema geotérmico cerrado vertical de muy baja entalpía en
combinación con bomba de calor, que para suministrar calefacción o refrigeración realiza un
intercambio de energía térmica con el subsuelo. Este intercambio se realiza a través de la
circulación del agua enfriada o calentada a través de un total de setenta sondeos geotérmicos. El
agua enfriada o calentada procede del aporte o eliminación de calor al/del edificio que se consigue
mediante la utilización de la bomba de calor (BC) geotérmica.
El objetivo del sistema geotérmico no es cubrir la potencia total de calefacción y refrigeración
requerida por el conjunto de viviendas si no cubrir la base de la demanda para así aportar la mayor
cantidad de energía de una fuente renovable como es la geotermia y que su uso sea elevado. Para
cubrir los picos de demanda se utilizará un sistema convencional (calderas y enfriadoras) integrado
con el sistema geotérmico dentro la instalación de producción térmica. Por lo tanto, el sistema de
producción térmica será un sistema bivalente.
El concepto energético y los flujos de calor desde y hacia el campo de los sondeos geotérmicos se
refleja en la figura a continuación. Como se puede observar, la disipación de calor hacia el terreno
es mayor a la extracción de calor. Para balancear el equilibrio térmico en el terreno y optimizar el
uso del sistema geotérmico, se aplica la bomba de calor también para precalentamiento de ACS.
Figura 3. Concepto energético y puntos de partido de diseño (julio 2014)
5. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA GEOTERMICO
El campo de sondeos geotérmicos consta de 70 perforaciones con sonda doble PEX-a de diámetro
32 mm con una profundidad de 125 m. La conexión de los sondeos geotérmicos es en 14 grupos
mediante la técnica de retorno invertido (sistema Tichelmann). Los datos técnicos se resumen en la
Tabla II.
Tabla II. Ficha técnica campo de sondeos geotérmicos
Nº perforaciones
70 de 125 m
Separación Mínima
6m
Sonda
Doble U PEX-a 32 mm
Mortero Termoconductor
λ = 2.1 W/m*K
Ejecución
1,5 días/pozo
Método de ejecución perforaciones
Rotación con lodos
Terreno
Arenas + arcillas
Conductividad del terreno real1)
λ = 1.986 W/m*K
Conexionado Horizontal (CH)
Retorno Invertido
Método de ejecución CH
Electrofusión
1) Obtenida por un Test de Respuesta Geotérmica realizado por Geothermal Energy S.L.
El sistema geotérmico se diseña buscando el máximo aprovechamiento energético y permite los
siguientes modos de funcionamiento:
• Calefacción utilizando la bomba de calor.
• Refrigeración pasiva o direct cooling.
• Refrigeración activa utilizando la bomba de calor.
• Precalentamiento de ACS utilizando la bomba de calor.
Refrigeración pasiva es posible en primavera, cuando la temperatura del terreno es todavía baja por
la extracción de calor en invierno. La energía fría almacenada se extrae del terreno y pasa a través
de un intercambiador de calor de placas (ICP), suministrando así frío directo al circuito de
refrigeración. Hasta que la temperatura desde el terreno sea menor que la temperatura de retorno del
sistema de climatización se puede aportar frío en modo directo (total/parcialmente). Los esquemas a
continuación muestran dos situaciones:
1) Frío directo sin necesidad de apoyo de la enfriadora
2) Frío directo con apoyo de la enfriadora para ajustar y garantizar la temperatura de suministro
Figura 4. Esquemas simplificados del sistema funcionando en modo de refrigeración directa/pasiva.
Cuando ya no es posible suministrar frío directo se pone en marcha la bomba de calor geotérmica
para aportar frió al sistema de climatización. La bomba de calor cubre la base de la demanda y la
enfriadora entra como equipo auxiliar en momentos picos.
Figura 5. Esquemas simplificados del sistema funcionando en modo de refrigeración activa.
El precalentamiento de ACS es aplicable durante todo el año. No obstante, es especialmente
interesante cuando el sistema está funcionando en modo de refrigeración activa por el uso útil del
calor “residual” del condensador.
6. REALIZACION DEL SISTEMA GEOTERMICO
El intercambiador de calor terrestre (los sondeos geotérmicos y el conexionado horizontal) se
realizó en el periodo de mayo a septiembre 2014. Los sondeos están ubicados en tres sub-campos:
1) Campo A: la “isla de tierra”, zona central que no se excavó para el parking
2) Campo B: la zona de aparcamiento oeste de la “isla de tierra”
3) Campo C; la zona de aparcamiento este de la “isla de tierra”
La cota del sub-campo A es de unos 3,5 m por debajo del futuro nivel superficial del patio entre los
edificios. La cota de los sub-campos B y C está bajo el parking del sótano -3. La diferencia entre las
cotas es de unos 8,5 m. La figura 4 muestra de forma indicativa la ubicación de los sub-campos y
los niveles de perforación.
Figura 4. Ubicación de los sub-campos geotérmicos (izquierda) y corte con los cotas de perforación (derecha)
Los sondeos geotérmicos se unen mediante conexiones horizontales y tubos de transporte con los
colectores principales cerca de la sala técnica (ST) donde se sitúa la bomba de calor. La sala
técnica está proyectada en el semisótano en la esquina noroeste del edificio “Alfonso XIII” (ver
figura 4).
La conexión de los sondeos geotérmicos es en grupos
mediante la técnica de retorno invertido (sistema
Tichelmann). Las redes de conducciones de ida y retorno
(conexiones horizontales) de los campos B y C se
encuentran bajo el suelo del parking del sótano -3. Las
conexiones horizontales del campo A se encuentran
parcialmente en la “isla de tierra” y parcialmente en el
parking del sótano -1.
Figura 5. Croquis del conexionado horizontal
sub-campo
A
C
Foto 1
Foto 2
Foto 1. Vista general de la obra (Junio 2014)
Foto 2. Detalle de conexiones horizontales
Foto 3
Foto 3. Ejecución de un sondeo geotérmico, sub-campo B
El plazo total para la obra, la construcción de la nueva urbanización incluyendo la demolición de los
edificios de la antigua Gerencia de Municipal, es de 24 meses. Para lograrlo, la planificación y el
progreso de la obra son de mayor importancia. Por un diálogo fluido entre el contratista principal, la
DF y otras partes implicadas como la ingeniería del sistema geotérmica y el subcontratista
geotérmico, se integraron los trabajos para la realización del intercambiador de calor terrestre
óptimamente en el proceso de construcción. Los trabajos de perforación y el conexionado horizontal
de los sub-campos B y C se realizaron simultáneamente con trabajos de cimentación y la
construcción de los sótanos. Para minimizar el tiempo de perforación se trabajaron en este fase con
dos maquinas de perforación. La producción diaria media fue de 1,5 sondeos geotérmicos por
maquina, incluyendo la instalación de las sondas.
La instalación de la sala técnica se realizará en el primer y segundo trimestre de 2015. La puesta en
marcha del sistema colectivo de producción de calor y frio, del que es parte el sistema geotérmico,
está previsto para noviembre de 2015.
7. AHORRO ENERGETICO Y PLAZO DE RETORNO PREVISTA
El sistema geotérmico aportará la base de la demanda de calor y frio. El consumo energético para la
producción térmica se presenta en la tabla III en comparación con un sistema convencional que
consta de calderas de gas natural (calefacción) y plantas enfriadoras (refrigeración). El ahorro anual
en el coste energético es de un 60%.
Tabla III. Consumo energético
Unidad
Producción térmica
Calefacción
Refrigeración
ACS, precalentamiento
Consumo energético
Gas natural
Electricidad
Coste energético
Calefacción
Refrigeración
ACS, precalentamiento
Total
Sistema geotérmico
con bomba de calor
Sistema convencional
MWht
MWht
MWht
240,0
203,0
84,8
240,0
203,0
84,8
MWh/a
MWhe/a
94,0
382,1
81,2
Euro/a
Euro/a
Euro/a
Euros
10.783
6.439
2.337
19.559
25.129
16.890
8.048
50.067
Para la realización de los cálculos se han utilizados las siguientes hipótesis:
• COP bomba de calor, modo calefacción = 5
• EER bomba de calor, modo refrigeración = 5
• COP/EER bomba de recirculación circuito ICT = 50
• Eficiencia estacional caldera de gas natural 85%
• EER planta enfriadora convencional = 2,5
• Tarifa gas natural, impuestos incluidos = 0,0890 €/kWh
• Tarifa electricidad, impuestos incluidos = 0,2080 €/kWhe
El Código Técnico de Edificación (CTE) obliga para edificios de nueva construcción una
contribución solar mínima de ACS. No obstante la normativa permite sustituir el sistema de paneles
solares por otra técnica de energía renovable siempre y cuando la reducción de las emisiones de
CO2 sea superior, que es el caso en el presente proyecto. Por lo tanto, la aplicación del sistema
geotérmico evita el coste de un sistema de paneles solares, algo que se debe tomar en cuenta para el
periodo de la recuperación de la inversión del sistema geotérmico (ver figura 6).
Figura 6. Periodo de la recuperación de la inversión
8. CONCLUSIONES
El proyecto EAI310 es un buen ejemplo de la Trias Energetica, un concepto simple y lógico que
ayuda en tres pasos a lograr un ahorro de energía, reducir nuestra dependencia de los combustibles
fósiles y salvar el medio ambiente: 1) la arquitectura y la aplicación de una fachada ventilada reduce
la demanda de climatización (calefacción y refrigeración); 2) la demanda de climatización está
mayormente cubierta con una fuente renovable, la geotermia; 3) la aplicación de suelo
radiante/refrescante en las viviendas permite trabajar a temperaturas moderadas que favorece la
eficiencia de la bomba de calor resultando en una eficiente producción e utilización de energía.
La colaboración de profesionales de diferentes sectores con un enfoque compartido hacia la
eficiencia energética ha dado como resultado un concepto energético optimizado y una buena
integración del sistema geotérmico en el sistema de climatización.
La mayor parte del intercambiador de calor terrestre (los sondeos geotérmicos y el conexionado
horizontal) está situado por debajo de los garajes subterráneos. Esta parte del sistema geotérmico, al
estar bajo el edificio, es un hito muy importante para la planificación de la obra, al aparecer los
trabajos de perforación en el camino crítico de la planificación Gracias a la colaboración de los
diferentes profesionales participantes en el proyecto, se ajustan los medios y las zonas de
perforación para no afectar a los plazos previstos. La integración más óptima de los trabajos de
perforación en la obra requiere de todas los partes involucradas flexibilidad y voluntad de
colaboración.
El ahorro en comparación con una instalación convencional se calcula en unos 60%. Por la baja
demanda energética del edificio es el plazo de retorno relativamente largo; unos 14 años. Cuando se
toma en cuenta el coste evitado de un sistema de solar térmica, el periodo de la recuperación del
sobrecoste es de unos 7 años.
“Por la presente, y como autores del trabajo mencionado arriba, cedamos a la Comunidad de
Madrid una licencia no-exclusiva irrevocable para imprimir, reproducir, distribuir, transmitir o
comunicar de cualquier manera dicho trabajo, incluyendo el derecho de hacer modificaciones de
formato. Además, afirmo que esta cesión no lesiona los derechos de terceros”.